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MÓDULO 2 (Nivel: Segundo Medio)

Eje Temático: Biología: (Material genético y reproducción celular - Procesos y funciones vitales - Biología humana y salud - Variabilidad y herencia - Organismo y ambiente)

Contenidos Curriculares:

Material genético y reproducción celular: cromosomas y genes, mitosis, función reguladora, meiosis, gametogénesis y variabilidad genética - Biodiversidad y factores que la afectan, recursos naturales, preservación, conservación y protección - El material genético - Hormonas, reproducción y desarrollo - Estructura del DNA - El código genético - Continuidad del material genético - Enfermedades genéticas, enfermedades de transmisión sexual, anomalías hormonales y uso médico de hormonas

Material genético y reproducción celular

En el Módulo 1 aprendiste que la célula es la unidad funcional de todo ser vivo, y que una de sus características más importantes es que contiene el material genético, el cual permite la continuidad de las especies en el tiempo. Pero, ¿cómo y dónde específicamente se organiza ese material genético? ¿Qué procesos experimenta el material genético que permiten transmitir la información de generación en generación?
Todo organismo, desde los más simples (procariontes) a los más complejos (eucariontes), posee una gran cantidad de información en cada una de sus células.  Esta  información se  organiza en  un  tipo  especial de  molécula orgánica: el ADN.

El ADN es un ácido nucleico que permite codificar la información de los organismos y, gracias a los mecanismos de división celular, posibilita la transmisión de  esa  información de  una  generación a  otra.  El  ADN  se organiza en unidades de información llamadas genes, que corresponden a secuencias de ADN que codifican para un producto (ARN o proteínas). El lugar específico que ocupa un gen en el cromosoma se denomina loci o locus. Técnicas de mapeo permiten determinar la ubicación de diferentes genes a lo largo de un cromosoma en distintas especies.

Para optimizar el almacenamiento de esta gran cantidad de información en cada célula, el ADN se empaqueta junto a unas proteínas estructurales llamadas histonas, formando la cromatina (Fig. 1).  

Esquema que muestra la organización del DE ENE A y las histonas.

Fig. 1: Esquema que muestra la organización del ADN y las histonas.

Los nucleosomas son parte de la cromatina, complejo de ADN e histonas que durante la  interfase del  ciclo celular se  encuentra descondensada. Cuando en la célula se inicia el proceso de división, el material genético experimenta un empaquetamiento y los cromosomas se hacen visibles (Fig.2).

En las células somáticas los cromosomas se presentan en pares idénticos,conocidos como homólogos (exceptuando los cromosomas sexuales), uno de los cuales es de origen paterno y otro de origen materno. Cuando la célula contiene el número total de cromosomas 2n, es diploide, mientras que si la célula presenta la mitad de la dotación cromosómica, es haploide n, como en el caso de los gametos. El conjunto de cromosomas de un individuo ordenados en parejas de mayor a menor, constituye su cariotipo.

Organización de un cromosoma

Fig. 2: Organización de un cromosoma

Ahora que hemos visto la forma en que se organiza el material genético, estudiaremos el comportamiento de los cromosomas en dos importantes tipos de división celular: mitosis y meiosis.

Ciclo celular y mitosis

Las actividades celulares de crecimiento y división pueden describirse según el ciclo vital de la célula o ciclo celular (Fig. 3).

La mitosis es parte del ciclo celular de división que experimenta toda célula para multiplicarse, e implica la participación del núcleo asegurando que cada célula generada reciba una copia de cada cromosoma de la célula progenitora. 

Ciclo celular

Fig. 3: Ciclo celular

Durante la mitosis se distinguen distintas etapas que se identifican claramente a través del microscopio, ya que los cromosomas están condensados.

En el siguiente esquema se ilustran las distintas etapas del ciclo celular y sus principales características (Fig. 4).

Interfase

Corresponde a la etapa entre dos divisiones sucesivas. Es la fase de mayor duración y en ella ocurre la duplicación del material genético y la síntesis de proteínas.

Interfase 

Profase

La cromatina se condensa y se hacen visibles los cromosomas. En los polos comienza a aparecer el huso mitótico, que une ambos centriolos. Comienza a desaparecer la envoltura nuclear. 

Profase

Metafase

Desaparece la envoltura nuclear. Las fibras del huso se unen al cinetocoro, a cada lado del centrómero de los cromosomas, los cuales están condensados. Se disponen en el plano central de la célula. 

Metafase temprana y tardía

Anafase

Las cromátidas hermanas se separan gracias a la duplicación de los centrómeros. Una de las cromátidas de cada cromosoma se desplaza hacia un polo de la célula y la otra hacia el polo contrario gracias a las fibras a las del huso. 

Anafase

Telofase

Cuando los cromosomas alcanzan los polos, se forma la envoltura nuclear sobre los cromosomas. 

 
Telofase

La división de la célula termina con la citocinesis, es decir, la división del citoplasma para generar dos células hijas.

 

La meiosis es un tipo especial de división celular que ocurre en las células germinales y genera células con la mitad de la dotación cromosómica. Esta reducción del material genético tiene especial importancia en la reproducción sexual, en la cual la unión de los gametos (generados por meiosis) permite mantener la dotación cromosómica de una generación a otra y al mismo tiempo generar variabilidad. La meiosis consiste en dos divisiones sucesivas de una célula diploide, con una sola duplicación del material genético.

A continuación puedes observar los eventos más importantes en cada etapa (Fig. 4). 

Etapas de la meiosis

Proceso de crossing over



Fig. 4: a. Etapas de la meiosis. b. Proceso de crossing over que no se muestra en el esquema general (ocurre en la profase I, durante el paquiteno).

Etapas de la meiosis

Meiosis I

Profase I: es la fase más larga de la meiosis y en ella los cromosomas homólogos se aparean entre sí, formando una estructura compleja de ADN y proteína. La estructura resultante se denomina tétrada, por estar formada por las dos cromátidas de cada cromosoma. A continuación se produce un entrecruzamiento o crossing-over entre los cromosomas homólogos, el cual consiste en u intercambio de fragmentos Cromosómicos entre dos cromátidas  homólogas (no  hermanas).

Metafase I: las tétradas se alinean en el ecuador de la célula, es decir los homólogos se dispone frente a frente. Las fibras del huso se "pegan" al centrómero de cada par homólogo. Las tétradas se alinean en el ecuador del huso en forma aleatoria, proceso denominado permutación cromosómica

Anafase I: las tétradas se separan y los cromosomas son arrastrados a los polos opuestos por las fibras del huso. Los centrómeros en la anafase I permanecen intactos.

Telofase I: esta fase varía en los diferentes organismos. A veces los cromosomas  pierden su condensación y se forman las membranas nucleares alrededor de cada uno de los polos. Otras veces, los cromosomas pasan directamente a la meiosis II.

Meiosis II

Profase II: los cromosomas están completamente condensados y se hallan en número haploide. No han experimentado duplicación del material genético luego de la citocinesis.

Metafase II: los cromosomas se encuentran en el plano ecuatorial y se unen al huso mitótico a través de sus centrómeros.

Anafase II: las cromátidas hermanas, se separan y migran hacia los polos.

Telofase II: se forman las membranas nucleares y los cromosomas comienzan a descondensarse.

Citocinesis: la telofase II finaliza con la división del citoplasma que da lugar a un total de cuatro células hijas.

Consecuencias genéticas de la meiosis

Reducción del número de cromosomas a la mitad: esta reducción a la mitad es la que permite que, en el fenómeno de la fecundación, se reconstituya el número de cromosomas de la especie. Por ejemplo, en el ser humano se tienen 46 cromosomas y se forman células haploides (gametos) de 23 cromosomas.

Recombinación de información genética heredada del padre y la madre: el apareamiento de los cromosomas homólogos y el consecuente crossing-over permiten que se intercambie la información. La consecuencia de este fenómeno es que ningún hijo heredará la misma combinación de alelos de sus progenitores.

Segregación al azar de cromosomas maternos y paternos: la separación de los cromosomas paternos y maternos recombinados, durante la anafase I y II, se realiza completamente al azar, por lo que contribuyen al aumento de la diversidad genética. En el ser humano, con 23 pares de cromosomas homólogos, la posibilidad de recombinación es de 223 (8.388.608) combinaciones. Este número no considera las múltiples combinaciones dadas por la recombinación durante el crossing-over.

Durante la gametogénesis (formación de gametos) ocurre la meiosis y se generan gametos con la mitad de dotación cromosómica para que, en la reproducción sexual, se mantenga la diploidía.